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ローレンツ力(ローレンツりょく、英: Lorentz force)は、電磁場中で運動する荷電粒子が受ける力のことである。 名前はヘンドリック・ローレンツに由来する。
概要
電場 と磁束密度(磁場) の空間中を運動する荷電粒子(位置 、速度 、電荷 )に作用する電磁気的な力 は
であり、この をローレンツ力と言う。ここで、「×」はクロス積である。
上式で右辺第一項は電場中で荷電粒子が受ける力でありクーロン力とも呼ばれる。 第二項はビオ・サバールの法則を一般化した形となっている[要検証 ]。
なお、第二項は磁場中で荷電粒子が受ける力
であるが、ローレンツ力という用語がこの項のみを指すものとされる場合もある。
荷電粒子が加速度運動している場合、その荷電粒子自身による電磁場の効果が存在するが[要校閲] 、その影響はごく小さい場合が多いので通常は無視されるか、ごく小さなものとして扱われる[疑問点 ]。 (参考: 制動放射、ラーモアの公式 放射の反作用、en:Abraham–Lorentz force)
ローレンツ力の向き
ローレンツ力の向きについて、電場による力 は電場と平行である。 また、磁場による力 は右手の法則に従い、下図のようにフレミングの左手の法則で表される。
また、右手の姿で示す方法もある。
ローレンツ力と仕事
ローレンツ力のする仕事は
である。 ここで、磁場による力の項は、
であり、磁場は仕事をしない。
電場による力の項は、
である。この電場による仕事量は、巨視的に見るとジュール熱に相当する。
磁場による力は速度と直交する方向に生じるので、運動の向きを変えるだけで粒子の運動エネルギーは変化しない。エネルギーの移動は電場により生じている。
ローレンツ力と電磁力
電荷 qi の時刻 t における位置を ri、速度を vi とすると、電荷密度 ρ、電流密度 j は、
と表すことができる。δ(x)はディラックのデルタ関数である。
ローレンツ力は多数の粒子系に対しては
となる。ここで、
として、和と積分を入れ替えると、
このようにミクロな粒子に作用する力(ローレンツ力)から、マクロな粒子系に作用する力(クーロン力及びアンペール力)が導かれた。
相対論的な表示
ローレンツ力を相対論的に記述すると
となる。 ここで z=(ct,r) は粒子の相対論的な位置、p=(E/c,p) は粒子の相対論的な運動量、ドットは運動のパラメータによる微分である。 F は電場と磁場を合わせた電磁テンソルで、具体的には
と表される。
位置の微分は非相対論的な速度 v によって
と表される。 従って、この式の空間成分は
となる。非相対論的な力 f は
となる。